Россия осваивает сверхнизкий космос при помощи ионного двигателя, аналогов которому нет в мире
В то время как Запад стремится освоить другие планеты, отечественная космическая программа сосредоточилась на освоении самого ближнего пространства сверхнизких орбит.
Высшее руководство РФ дало отдельное поручение создать отечественные спутники, которые будут там работать. Что же именно дадут России подобные аппараты?
И на чем еще сосредоточена космическая промышленность России?
Низкие орбиты
В прошлом году на форуме «Сильные идеи для нового времени» Владимир Путин публично поручил правительству рассмотреть вопрос о создании космических аппаратов, функционирующих на предельно низких орбитах, и изготовлении опытных образцов таких аппаратов для проведения испытаний. Может показаться, что куда уж проще – осваивать ближнее космическое пространство. Однако, предельно низкие орбиты весьма специфичны.
VLEO (Very low Earth orbit) или сверхнизкими околоземными орбитами считаются те, что лежат ниже орбиты МКС, то есть до 400 километров от Земли. На такой высоте еще присутствует довольно сильное атмосферное сопротивление. В подобных условиях космические аппараты быстро теряют скорость и высоту. Если спутник опустится ниже 170 километров, то окончание срока его работы можно будет посчитать по дням. На высоте в 150-120 километров аппараты совершают свой последний виток вокруг Земли. Далее ему предстоит только сгореть в плотных атмосферных слоях.
Для того чтобы космические спутники могли поддерживать высоту во VLEO становятся необходимы двигательные установки, иначе аппараты окажутся практически одноразовыми, со сроком службы в несколько месяцев. А чтобы уменьшить воздействие воздушных потоков остаточной атмосферы, нужно провести дополнительную работу над внешним дизайном спутников. Также очевидна проблема расхода топлива, которого для поддержания стабильной работы аппарата в атмосфере требуется гораздо больше (экспоненциально больше). Взять МКС, к примеру. Когда ее орбита располагалась на высоте в 300 километров, то в год расходовалось 8600 килограммов топлива. Когда же станцию подняли на высоту 400 километров, горючего стало расходоваться всего 3600 килограмм.
«Факел» для «Сферы»
Проблему двигателей вполне возможно решат при помощи ионного двигателя, работающего на инертном газу (аргон, ксенон, криптон). Это исключает химическую реакцию с конструкционными материалами. Высокоэнергетические электроны, взаимодействующие с электронными оболочками атомов газа, бомбардируют газ и отрывают от него электроны. Происходит ионизация, частицы газа теперь заряжены и могут ускоряться магнитным или электростатическим полем.
Концепция такого двигателя появилась еще в начале 20 века. Высказал ее Константин Циолковский, а все пионеры ракетной техники бросились его разрабатывать. Первый рабочий ионный двигатель создали в NASA в 1959 году. Его даже в космосе испытали ровно 31 минуту 16 секунд. Несмотря на выгоду в меньшем использовании реактивной массы (в три раза), сила электрического тока в газовой среде была ограничена. Это не позволяло ионизировать большие объемы газа. Как следствие – невозможно достичь большой мощности двигателя.
В связи участившимися случаями ограничения наших каналов и непрозрачностью контентной политики Дзена, мы занялись поиском альтернативных площадок для переноса публикаций. Вероятнее всего, такой площадкой станет приложение SFERA. Мы уже перенесли туда канал про Космос . А скоро в SFERA появится возможность добавлять длинные посты. В дальнейшем будет создан и сервис для статей.
В нашей стране разработки ионного (также плазменного) двигателя не забросили. В результате в прошлом году в России впервые испытали двигатель на ксеноне, мощность которого варьируется от 300 до 1200 Вт.
«Испытания двигателя прошли в ОКБ «Факел», показав его стабильную работу и надежные параметры запуска. Двигатель полностью соответствует требованиям для космических аппаратов проекта «Сфера», – заявляли тогда в Роскосмосе.
Кроме того, для обслуживания наноспутников весом до 4 килограмм, успешно протестировали еще и плазменный ракетный двигатель VERA (Volume-Effective Rocket-propulsion Assembly). И в этом смысле данная двигательная установка совершенно уникальна. Она компактна, эффективна, достаточно мощна и безопасна для бортовой электроники.
Поворот VLEO
Вернемся к сверхнизким орбитам, удобным в первую очередь для спутников связи, радаров, дистанционного зондирования Земли и т.п. Для аппаратов, выполняющих последнюю упомянутую функцию близость к Земле важна для большего разрешения съемок того или иного участка на ее поверхности. Системы же связи на низкой высоте смогут удержать энергетический баланс линии на высокой частоте, и, чтобы отправить сигнал на Землю, им понадобится меньше энергии.
Скорость передачи данных может остаться той же, но необходимая для этого мощность уменьшится, либо не уменьшится, тогда скорость повысится. А может, случится и то, и другое. В перспективе ближайших нескольких лет эти два вида спутников можно назвать первоочередными кандидатами на вывод на VLEO.
Сверхнизкие орбиты удобны еще и тем, что ракета-носитель, выводящая на них аппараты, может иметь более низкую мощность. Сами спутники комплектовать устройством для свода с орбиты не нужно. И космическим мусором после отработки они не станут. А сгорят в плотных атмосферных слоях.
В перспективе предстоящих разработок дефицита в вариантах решений по работе космических аппаратов нет. Большинство вариантов решений есть у молодых самостоятельных стартаперов. Начиная от архитектуры спутников для работы с воздушными потоками, заканчивая использованием для работы двигателей остаточных кислорода и азота из атмосферы. Так что ждем скорых российских запусков.